一种无线充电电源的方案设计

冯枫

摘要：本文设计了一款无线充电发射模块和接收模块，论述了磁耦合谐振式无线电能的传输基本原理，对设计方案中的发射模块进行了详细说明，针对接收模具提出了一种基于数字锁相环的频率跟踪方案。

关键词：无线充电电源；磁耦合谐振式；谐振补偿

引言

无线充电技术，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电装置（即充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电。无线充电技术可分为四种类型：磁谐振式，电磁感应式，微波式和电场耦合式。其中磁谐振式无线电能传输技术是将发射线圈的工作频率与接收线圈的工作频率调节一致，形成共振，在接收线圈中产生电流，实现电能的无线传输。本文主要开展适用的磁谐振式快速无线充电技术的研究工作，解决同时实现大功率、远距离和高效率的技术瓶颈，提供高可靠性、高适用性的充电解决方案。

一、 磁耦合谐振式无线电能传输机理

通常使用等效模型的方式来研究磁耦合谐振式无线电能传输(WPT)系统的特性。磁耦合机构可以等效为漏感较大的变压器，利用互感耦合模型可以有效分析WPT性能和参数变化情况。通过采用电容补偿的方式来实现WPT系统的“谐振”效果，根据传能的不同要求来确定补偿拓扑结构。

1.1 WPT系统互感耦合模型

图1为WPT系统磁耦合机构的电路拓扑及其等效模型，其中Lp、Ls分别为初级线圈、次级线圈的自感值，M为它们的互感值。rp、rs分别为初、次级线圈内阻，Rl为负载电阻，

图1 磁耦合机构电路带载等效互感电路模型

用频域变换列写初、次级回路方程

（1）

引入反映阻抗 Zr的概念，Zr为次级侧对初级侧的等效阻抗：

（2）

又次级回路中的总阻抗：

（3）

将式(3)回代式(2)化简则有：

（4）

借助反映阻抗将次级侧的电路可以等效至初级侧电路中进行分析计算，如图2

图2 初级等效电路

则输入侧的等效输入阻抗为：

（5）

从以上分析可得，初级等效电路中的阻抗除了纯阻性成分外还有电抗部分且电抗部分主要为感性成分。为了提高WPT系统的有用功效率，可以在磁耦合机构电感线圈两端通过增加串联或并联电容的方式补偿电路中的感性成分，而当容值、补偿拓扑选择合适时，会使LC网络达到谐振状态，也即为谐振补偿。

1.2 谐振补偿结构分析

由于原级、次级回路均存在较大的电感，在初级、次级两侧同时采用电容补偿。根据电容在两侧连接方式的不同，谐振补偿拓扑可分为：初级并联-次级并联（PP-SP）、初级并联-次级串联（PP-SS）、初级串联-次级并联（PS-SP）及初级串联-次级串联（PS-SS）四种补偿结构。

(a)PP-SP                                  (b)PP-SS

(c)PS-SP                            (d)PS-SS

图3 WPT系统双侧补偿拓扑结构

根据系统对电源供电的要求确定初级侧的补偿形式，由于初级侧采用并联补偿时，一旦系统偏移谐振点，会使得母线输入电流急剧变大，导致系统稳定度较差，因此绝大多数情况下，初级侧都是采用串联补偿结构，降低对前级供电的要求，并维持系统保持相对稳定的工作状态。

当次级回路采用串联补偿方式时，系统处于谐振状态时，次级线圈端口近似等效成电压源，且反映阻抗近似等效成纯阻性（Rl>>rs，Rl>>rp），此时输出电压与负载无关，等效成恒压源，适用于需要稳定电压输出的场合。采用并联谐振补偿时，次级线圈端口近似等效于电流源，适合阻值较大的负载。考虑到动力电池组内阻相对较小，电压要求相对较高（350V 左右），因此次级侧更适合串联方式补偿。

2 无线充电系统设计

无线充电系统通过发射和接收模块实现能量的无线非接触的传递，同时通过串行通讯和开关量信号实现该系统上位机和后级管理系统进行管理及各部件协调控制，具有能量无线传递，模块信息传输，故障诊断，状态监控及上报等处理功能。

图4 系统框图

2.1 发射模块

发射模块的主要功能单元电路包括辅助电源，缓启动和输入防反接保护单元，全桥逆变电路，由C1和L1组成的串联谐振电路和以DSP（TMS320F28375D）为核心的信号处理单元组成。

电阻Rsin为电源输入电流采样电阻，通过它采样输入电流的平均值，进运算放大器放大后送入DSP的AD转换器，和检测到的输入电压一起计算发射模块的输入功率。

电阻Rsfb为全桥输入采样电阻，检测该电流信号送入DSP内部比较器，进行快速的瞬态过流保护。

有Q1，Q2，Q3和Q4组成的全桥进行高频逆变功率电路，进行移相全桥PWM控制，Q1和Q3为超前导通臂，Q2和Q4为滞后导通臂，DSP内部产生基准方波，通过对基准方波的超前和滞后输出来调整全桥输出的占空比，从而调整后级LC串联谐振电路的输入电压，控制发射模块的输出功率。

通过检测谐振回路中点电压，该电压信号将进行谐振相位检测和谐振峰值保护。

谐振相位检测是通过DSP内部比较器将该电压信号转换为方波，该方波的边沿是谐振电流的峰值，比较该方波信号的边沿和PWM基准信号的延时，进行锁相控制。由于需要控制发射模块在LC谐振点附近的感性状态，因此控制开关频率以确保该电压信号稍微滞后于PWM的基准信号。

谐振峰值保护是将检测到的谐振电压滤波后送入DSP内部比较器，当该电压大于设定的最大允许值后进行保护，保护方式是缩小PWM的占空比，如果过压信号依然存在，就升高开关频率，降低输出增益。

蓝牙模块主要接收后级接收模块发送的功率需求信息，通过控制PWM占空比和开关频率调整发射模块的输出功率。同时根据反馈的输出功率，计算整个无线充电系统的效率，通过该效率进行原边和副边耦合程度和金属异物的识别，当低于设定值之后，关闭整个系统。

图5 发射模块系统框图

2.2 接收模块设计方案

接收模块的主要功能单元电路包括辅助电源，缓启动和输入防反接保护单元，由C2和L2组成的串联谐振电路，全桥同步整流电路和以DSP（TMS320F28375D）为核心的信号处理单元等组成。

通过输出电流采样电阻Rsout检测输出电流，与采样到的直流母线电压计算输出功率。同时当输出电流幅值达到设定值后启动同步整流模式。

整流桥电流和电压信号可为全桥同步整流提供驱动时序，当该电流幅值达到设定值后导通MOSFET，当电流幅值小于设定值关闭MOSFET。由整流桥电压信号变化的决定驱动相应的两个同步整流MOSFET。

接收模块DSP采样整流桥输出的直流母线电压和充电电流信息，计算输出功率，并接收上位机提供的电池规格信息，通过蓝牙模块将需要的充电功率需求值送回发射模块，由发射模块调整发射功率。

采样谐振电压信号，进行谐振峰值保护和谐振频率检测。谐振峰值保护是当该电压超过设定值后，通知发射机降低输出功率。谐振频率检测是采样谐振频率，为发射模块和接收模块进行电力通讯提供一种识别方式。

当接收模块通知发射模块降低输出功率，但发射模块由于通讯中断或其它异常原因导致接收模块收到超出需求的功率，这时进入故障保护模式，同时关闭整流桥上管Q5和Q6，并同时导通整流桥的下管Q7和Q8，短路接收侧谐振回路，停止功率接收。并上报告警。

图6 接收模块系统框图

3 频率跟踪控制

保证逆变器始终工作在谐振频率，需要对发射线圈电流进行跟踪，这里采用基于全数字锁相环（ADPLL）的频率跟踪控制系统，系统结构如下图所示

图7 1频率跟踪控制系统结构

频率跟踪控制系统由电流采样、过零比较、全数字锁相环（ADPLL）、驱动电路四部分组成。整个频率跟踪控制过程为：电流采样电路采集逆变器谐振电流 i1，过零比较电路产生与 i1 同频同相的方波信号 ui，ADPLL 将 ui 与反馈信号 uo 进行比较产生与 ui 同频率的四路驱动逻辑信号，最后四路驱动逻辑信号进入驱动电路进行驱动放大，输入至逆变器控制开关管的开通与关断，最终保证逆变器始终工作在谐振频率。

当阻抗角为0时，系统工作在谐振频率ω0，谐振频率ω0与互感系数、负载、发射侧电感和电容、接受侧电感和电容均有关。系统在实际运行过程中，这些参数的变化都会导致系统的谐振频率发生改变，即系统失谐。为了保证逆变器始终工作在谐振频率下，可以直接对发射线圈的电流 i1 进行实时跟踪。

结论

本文研究了一种磁耦合谐振式无线充电电源的基本原理，完成了一款无线充电电源的方案设计。该方案可用于构建大功率远距离高效率的无线传输系统。

参考文献：

［1］程丽敏 磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制研究［J］电力电子技术 2014年11月 第48卷第11期

［2］张占松 开关电源的原理与设计［M］ 第1版 北京 电子工业出版社  1998

［3］于春来 磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究［P］哈尔滨工业大学.2012.12

［4］姜世宇 磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究［P］南京理工大学 2017.1